芯片制造的核心技能——光刻技能揭秘_光刻_技巧

根据维基百科的定义，光刻是半导体器件制造工艺中的一个主要步骤，该步骤利用曝光和显影在光刻胶层上刻画几何图形构造，然后通过刻蚀工艺将光掩模上的图形转移到所在衬底上。
这里所说的衬底不仅包含硅晶圆，还可以是其他金属层、介质层，例如玻璃、SOS中的蓝宝石。

光刻的基本事理是利用光致抗蚀剂（或称光刻胶）感光后因光化学反应而形成耐蚀性的特点，将掩模板上的图形刻制到被加工表面上。

光刻半导体芯片二氧化硅的紧张步骤是：

1、涂布光致抗蚀剂；

2、套准掩模板并曝光；

3、用显影液溶解未感光的光致抗蚀剂层；

4、用堕落液溶解掉无光致抗蚀剂保护的二氧化硅层；

5、去除已感光的光致抗蚀剂层。

光刻技能的不断发展从三个方面为集成电路技能的进步供应了担保：

其一是大面积均匀曝光，在同一块硅片上同时做出大量器件和芯片，担保了批量化的生产水平；

其二是图形线宽不断缩小，利用权集成度不断提高，生产本钱持续低落；

其三，由于线宽的缩小，器件的运行速率越来越快，利用权集成电路的性能不断提高。
随着集成度的提高，光刻技能所面临的困难也越来越多。

光学光刻

光学光刻是通过广德照射用投影方法将掩模上的大规模集成电路器件的构造图形画在涂有光刻胶的硅片上，通过光的照射，光刻胶的身分发生化学反应，从而天生电路图。
限定成品所能得到的最小尺寸与光刻系统能得到的分辨率直接干系，而减小照射光源的波长是提高分辨率的最有效路子。
由于这个缘故原由，开拓新型短波长光源光刻机一贯是各个国家的研究热点。
目前，商业化光刻机的光源波长已经从过去的汞灯紫外光波段进入到深紫外波段（DUV），如用于0.25微米技能的分子激光（波长为248纳米）和用于0.18微米技能的准分子激光(波长为193纳米)。

除此之外，根据光的干涉特性，利用各种波前技能优化工艺参数也是提高分辨率的主要手段。
这些技能是利用电磁理论结合光刻实际对曝光成像进行深入的剖析所取得的打破。
个中有移相掩膜、离轴照明技能、临近效应校正等。
利用这些技能，可在目前的技能水平上得到更高分辨率的光刻图形。
如1999年初Canon公司推出的FPA-1000ASI扫描步进机，该机的光源为193纳米，通过采取波前技能，可在300毫米硅片上实现0.13微米光刻线宽。

光刻技能是包含光刻机、掩模、光刻材料等一系列技能，涉及光、机、电、物理、化学、材料等多个研究方向。
目前科学家正在探索更短波长的F2激光（波长为157纳米）光刻技能。
由于大量的光接管，得到用于光刻系统的新型光学及掩模衬底材料是该波段技能的紧张困难。
光科技束是很多学科的综合，任何一门学科的打破就能对光刻技能的发展做出巨大贡献。

电子束光刻

电子束光刻技能是微型技能加工发展的关键技能,他在纳米制造领域中起着不可替代的浸染。
电子束光刻紧张是刻画眇小的电路图，电路常日因此纳米微单位的。

随着中国纳米技能和纳米电子学的发达发展,纳米加工技能的研究越来越主要,而电子束光刻技能将是纳米构造图形加工中非常主要的手段。
电子束光刻技能要运用于纳米尺度眇小构造的加工和集成电路的光刻,必须办理几个关键的技能问题:电子束高精度扫描成像曝光效率低;电子在抗蚀剂和基片中的散射和背散射征象造成的临近效应;在实现纳米尺度加工中电子抗蚀剂和电子束曝光及显影、刻蚀等工艺技能问题。

实践证明,电子束临近效应校正技能、电子束曝光与光学曝光系统的匹配和稠浊光刻技能及抗蚀剂曝光工艺优化技能的运用,是一种提高电子束光刻系统实际光刻分辨能力非常有效的办法。
电子束光刻最紧张的便是金属化剥离，第一步是在光刻胶表面扫描到自己须要的图形。
第二部是将曝光的图形进行显影，去除未曝光的部分，第三部在形成的图形上沉淀金属，第四部将光刻胶去除，在金属剥离的过程中，关键在于光刻工艺的胶型掌握。
最好利用厚胶，这样有利于胶剂的渗透，形成清晰的描述。

聚焦粒子束光刻

聚焦离子束(Focused Ion beam, FIB)的系统是利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺寸的显微切割仪器，她的事理与电子束光刻附近，不过是有电子变成离子。
目前商业用场系统的离子束为液态金属离子源，金属材质为镓，由于镓元素具有熔点低、低蒸气压、及良好的抗氧化力；范例的离子束显微镜包括液相金属离子源、电透镜、扫描电极、二次粒子侦测器、5-6轴向移动的试片基座、真空系统、抗振动和磁场的装置、电子掌握面板、和打算机等硬设备，外加电场于液相金属离子源 可使液态镓形成眇小尖端，再加上负电场(Extractor) 牵引尖真个镓，而导出镓离子束，在一样平常事情电压下，尖端电流密度约为1埃10-8 Amp/cm2，以电透镜聚焦，经由持续串变革孔径 (Automatic Variable Aperture, AVA)可决定离子束的大小，再经由二次聚焦至试片表面，利用物理碰撞来达到切割之目的。

在成像方面，聚焦离子束显微镜和扫描电子显微镜的事理比较附近，个中离子束显微镜的试片表面受镓离子扫描撞击而引发出的二次电子和二次离子是影像的来源，影像的分辨率决定于离子束的大小、带电离子的加速电压、二次离子讯号的强度、试片接地的状况、与仪器抗振动和磁场的状况，目前商用机型的影像分辨率最高已达 4nm，虽然其分辨率不及扫描式电子显微镜和穿透式电子显微镜，但是对付定点构造的剖析，它没有试片制备的问题，在事情韶光上较为经济。

聚焦离子束投影曝光除了前面已经提到的曝光灵敏度极高和没有临近效应之外还包括焦深大于曝光深度可以掌握。
离子源发射的离子束具有非常好的平行性，离子束投影透镜的数值孔径只有0.001，其焦深可达100μm，也便是说，硅片表面任何起伏在100μm之内，离子束的分辨力基本不变。
而光学曝光的焦深只有1～2μm为。
她的紧张浸染便是在电路上进行修补 ，和生产线制成非常剖析或者进行光阻切割。

移相掩模

光刻分辨率取决于照明系统的部分相关性、掩模图形空间频率和衬比及成象系统的数值孔径等。
相移掩模技能的运用有可能用传统的光刻技能和i线光刻机在最佳照明下刻划出尺寸为传统方法之半的图形，而且具有更大的焦深和曝光量范围。
例如利用PSM，在NA=0.5，λ=248nm，分辨率可达0.15um；NA=0.6，λ=365nm，实际分辨率可达0.2um。
相移掩模方法有可能战胜线/间隔图形传统光刻方法的局限性。

随着移相掩模技能的发展,呈现出浩瀚的种类, 大体上可分为交替式移相掩膜技能、衰减式移相掩模技能；边缘增强型相移掩模, 包括亚分辨率相移掩模和自对准相移掩模；无铬全透明移相掩模及复合移相办法( 交替移相+ 全透明移相+ 衰减移相+ 二元铬掩模) 几类。
尤其以交替型和全透明移相掩模对分辨率改进最显著, 为实现亚波长光刻创造了有利条件。
全透明移相掩模的特点是利用大于某宽度的透明移相器图形边缘光相位溘然发生180度变革, 在移相器边缘两侧衍射场的干涉效应产生一个形如“刀刃”光强分布, 并在移相器所有边界线上形成光强为零的暗区, 具有微细线条一分为二的分裂效果, 使成像分辨率提高近1 倍。

光学曝光技能的潜力, 无论从理论还是实践上看都令人惊叹, 不能不刮目相看。
个中利用掌握光学曝光过程中的光位相参数, 产生光的干涉效应,部分抵消了限定光学系统分辨率的衍射效应的波前面工程为代表的分辨率增强技能起到主要浸染, 包括: 移相掩模技能、光学临近效应校正技能、离轴照明技能、光瞳空间滤波技能、驻波效应校正技能、离焦迭加增强曝光技能、表面成像技能及多级胶构造工艺技能。
在实用化方面取得最引人瞩目进展的要数移相掩模技能、光学临近效应校正技能和离轴照明技能, 尤其浸没透镜曝光技能上的打破和两次曝光技能的运用, 为分辨率增强技能的运用更创造了有利条件。

X射线光刻

软Ｘ射线投影光刻作为特色线宽小于０．１μｍ的集成电路制造技能，倍受日美两个集成电路制造设备生产大国重视。
随着用于软Ｘ射线投影光刻的无污染激光等离子体光源、高分辨率大视场投影光学系统、无应力光学装调工艺、深亚纳米级镜面加工和多层膜制备、低毛病反射式掩膜、表面成像光刻胶、精密扫描机构等关键技能均取得了打破。

一、洗濯硅片（Wafer Clean）

洗濯硅片的目的是去除污染物去除颗粒、减少针孔和其它毛病，提高光刻胶黏附性

基本步骤：化学洗濯——漂洗——烘干。

硅片经由不同工序加工后，其表面已受到严重沾污，一样平常讲硅片表面沾污大致可分在三类：

1、有机杂质沾污： 可通过有机试剂的溶解浸染，结合超声波洗濯技能来

去除。

2、颗粒沾污：利用物理的方法可采机器擦洗或超声波洗濯技能来去除粒径 ≥ 0.4 μm颗粒，利用兆声波可去除 ≥ 0.2 μm颗粒。

3、金属离子沾污：必须采取化学的方法才能洗濯其沾污，硅片表面金属杂质沾污有两大类：

a. 一类是沾污离子或原子通过吸附分散附着在硅片表面。

b. 另一类是带正电的金属离子得到电子后面附着（尤如“电镀”）到硅片表面。

硅抛光片的化学洗濯目的就在于要去除这种沾污。

二、预烘和底胶涂覆（Pre-bake and Primer Vapor）

由于光刻胶中含有溶剂，以是对付涂好光刻胶的硅片须要在80度旁边的。
硅片脱水烘焙能去除圆片表面的潮气、增强光刻胶与表面的黏附性、常日大约100 °C。
这是与底胶涂覆合并进行的。

底胶涂覆增强光刻胶(PR)和圆片表面的黏附性。
广泛利用: (HMDS)六甲基二硅胺、在PR旋转涂覆前HMDS蒸气涂覆、PR涂覆前用冷却板冷却圆片。

三、光刻胶涂覆（Photoresist Coating）

光刻胶涂覆常日的步骤是在涂光刻胶之前，先在900-1100度湿氧化。
氧化层可以作为湿法刻蚀或B注入的膜版。
作为光刻工艺自身的第一步，一薄层的对紫外光敏感的有机高分子化合物，即常日所说的光刻胶，要涂在样品表面(SiO2)。
首先光刻胶被从容器中取出滴布到置于涂胶机中的样品表面，(由真空负压将样品固定在样品台上)，样品然后高速旋转，转速由胶粘度和希望胶厚度确定。
在这样的高速下，胶在离心力的浸染下向边缘流动。

涂胶工序是图形转换工艺中最初的也是主要的步骤。
涂胶的质量直接影响到所加工器件的毛病密度。
为了担保线宽的重复性和接下去的显影韶光，同一个样品的胶厚均匀性和不同样品间的胶厚同等性不应超过±5nm(对付1.5um胶厚为±0.3%)。

光刻胶的目标厚度的确定紧张考虑胶自身的化学特性以及所要复制图形中线条的及间隙的微细程度。
太厚胶会导致边缘覆盖或连通、小丘或田亘状胶貌、使成品率低落。
在MEMS中、胶厚(烤后)在0.5-2um之间，而对付分外微构造制造，胶厚度有时希望1cm量级。
在后者，旋转涂胶将被铸胶或等离子体胶聚合等方法取代。
常规光刻胶涂布工序的优化须要考虑滴胶速率、滴胶量、转速、环境温度和湿度等，这些成分的稳定性很主要。

四、前烘（Soft Bake）

完成光刻胶的涂抹之后，须要进行软烘干操作，这一步骤也被称为前烘。
前烘能够蒸发光刻胶中的溶剂溶剂、能使涂覆的光刻胶更薄。

在液态的光刻胶中，溶剂身分占65％－85％。
虽然在甩胶之后，液态的光刻胶已经成为固态的薄膜，但仍有10％－30％的溶剂，随意马虎沾污灰尘。
通过在较高温度下进行烘培，可以使溶剂从光刻胶中挥发出来（前烘后溶剂含量降至5％旁边），从而降落了灰尘的沾污。
同时，这一步骤还可以减轻因高速旋转形成的薄膜应力，从而提高光刻胶 衬底上的附着性。

在前烘过程中，由于溶剂挥发，光刻胶厚度也会减薄，一样平常减薄的幅度为10％－20％旁边。

五、对准（Alignment）

光刻对准技能是曝光前一个主要步骤作为光刻的三大核心技能之一，一样平常哀求对准精度为最细线宽尺寸的 1/7---1/10。
随着光刻分辨力的提高 ，对准精度哀求也越来越高 ，例如针对 45am线宽尺寸 ，对准精度哀求在5am 旁边。

受光刻分辨力提高的推动 ，对准技能也经历 迅速而多样的发展 。
从对准事理上及标记结 构分类 ，对准技能从早期的投影光刻中的几何成像对准办法 ，包括视频图像对准、双目显微镜对准等，一贯到后来的波带片对准办法 、干涉强度对准 、激光外差干涉以及莫尔条纹对准办法 。
从对准旗子暗记上分 ，紧张包括标记的显微图像对准 、基于光强信息的对准和基于相位信息对准。

对准法则是第一次光刻只是把掩膜版上的Y轴与晶园上的平边成90，如图所示。
接下来的掩膜版都用对准标记与上一层带有图形的掩膜对准。
对准标记是一个分外的图形（见图），分布在每个芯片图形的边缘。
经由光刻工艺对准标记就永久留在芯片表面，同时作为下一次对准利用。

对准方法包括：

a、预对准，通过硅片上的notch或者flat进行激光自动对准

b、通过对准标志，位于切割槽上。
其余层间对准，即套刻精度,担保图形与硅片上已经存在的图形之间的对准。

六、曝光（Exposure）

在这一步中，将利用特定波长的光对覆盖衬底的光刻胶进行选择性地照射。
光刻胶中的感光剂会发生光化学反应，从而使正光刻胶被照射区域（感光区域）、负光刻胶未被照射的区域（非感光区）化学身分发生变革。
这些化学身分发生变革的区域，不才一步的能够溶解于特定的显影液中。

在接管光照后，正性光刻胶中的感光剂DQ会发生光化学反应，变为乙烯酮，并进一步水解为茚并羧酸（Indene-Carboxylic-Acid, CA），羧酸在碱性溶剂中的溶解度比未感光部分的光刻胶赶过约100倍，产生的羧酸同时还会促进酚醛树脂的溶解。
利用感光与未感光光刻胶对碱性溶剂的不同溶解度，就可以进行掩膜图形的转移。

曝光方法：

a、打仗式曝光（Contact Printing）掩膜板直接与光刻胶层打仗。

b、靠近式曝光（Proximity Printing）掩膜板与光刻胶层的略微分开，大约为10～50μm。

c、投影式曝光（Projection Printing）。
在掩膜板与光刻胶之间利用透镜聚拢光实现曝光。

d、步进式曝光(Stepper)

七、显影(development)

通过在曝光过程结束后加入显影液，正光刻胶的感光区、负光刻胶的非感光区，会溶解于显影液中。
这一步完成后，光刻胶层中的图形就可以显现出来。
为了提高分辨率，险些每一种光刻胶都有专门的显影液，以担保高质量的显影效果。

显影工序使将在曝光过程中形成的隐性图形成为光刻胶在与不在的显性图形，以作为下一步加工的膜版。
显影中进行的是选择性溶解的过程，最主要的是曝光区和未曝光区之间溶解率的比值(DR)。
商用正胶有大于1000的DR比，在曝光区溶解速率为3000nm/min，在未曝光区只有几nm/min。

现在有二种显影方法，一是湿显影，他IC和微加工中正广泛利用，另一种是干显影。

八、坚膜 （Hard Bake）

刻胶显影完成后，图形就基本确定，不过还须要使光刻胶的性子更为稳定。
硬烘干可以达到这个目的，这一步骤也被称为坚膜。
在这过程中，利用高温处理，可以撤除光刻胶中剩余的溶剂、增强光刻胶对硅片表面的附着力，同时提高光刻胶在随后刻蚀和离子注入过程中的抗蚀性能力。
其余，高温下光刻胶将软化，形成类似玻璃体在高温下的熔融状态。
这会使光刻胶表面在表面张力浸染下调皮化，并使光刻胶层中的毛病（如针孔）减少，这样改动光刻胶图形的边缘轮廓。

用O2等离子体对样品整体处理，以打消显影后可能的非望残留叫de-scumming。
特殊是负胶但也包括正胶，在显影后会在原来胶-基板界面处残留聚合物薄层，这个问题在构造小于1um或大深-宽比的构造中更为严重。
当然在De-scumming过程中留胶厚度也会降落，但是影响不会太大。

末了，在刻蚀或镀膜之前须要硬烤以去除残留的显影液和水，并退火以改进由于显影过程渗透和膨胀导致的界面接合状况。
同时提高胶的硬度和提高抗刻蚀性。
硬烤温度一样平常高达120度以上，韶光也在20分旁边。
紧张的限定是温度过高会使图形边缘变差以及刻蚀后难以去除。

九、刻蚀或离子注入

刻蚀是半导体器件制造中利用化学路子选择性地移除沉积层特定部分的工艺。
刻蚀对付器件的电学性能十分主要。
如果刻蚀过程中涌现失落误，将造成难以规复的硅片报废，因此必须进行严格的工艺流程掌握。
半导体器件的每一层都会经历多个刻蚀步骤。

刻蚀一样平常分为电子束刻蚀和光刻，光刻对材料的平整度哀求很高，因此，须要很高的清洁度。
但是，对付电子束刻蚀，由于电子的波长极短，因此分辨率与光刻比较要好的多。
由于不须要掩模板，因此对平整度的哀求不高，但是电子束刻蚀很慢，而且设备昂贵。

对付大多数刻蚀步骤，晶圆上层的部分位置都会通过“罩”予以保护，这种罩不能被刻蚀，这样就能对层上的特定部分进行选择性地移除。
在有的情形中，罩的材料为光阻性的，这和光刻中利用的事理类似。
而在其他情形中，刻蚀罩须要耐受某些化学物质，氮化硅就可以用来制造这样的“罩”。

离子注入是一种将特定离子在电场里加速，然后嵌入到另一固体材料之中的技能手段。
利用这个技能可以改变固体材料的物理化学性子，现在已经广泛运用于半导体器件制造和某些材料科学研究。
离子注入可以导致核转变，或改变某些固体材料的晶体构造。

十、光刻胶的去除

光刻胶的紧张功能是在全体区域进行化学或机器处理工艺时，保护光刻胶下的衬底部分。
以是当以上工艺结束之后，光刻胶应全部去除，这一步骤简称去胶。
只有那些高温稳定的光刻胶，例如光敏感聚酰亚胺，可以作为中间介质或缓冲涂层而留在器件上。

为避免对被处理表面的任何损伤，应该利用低温下温和的化学方法。
超声波的运用也可以增强剥离效能。
由于有堕落问题、一些已知的剥离液不能浸染与铝等金属表面；在此情形下、臭氧或氧等离子体(灰化)是首先采取的。
这些等离子体同样成功地作为非铝表面的光刻交剥离剂，但是，器件表面的破坏仍是要办理的问题。

刻蚀或离子注入之后，已经不再须要光刻胶作保护层，可以将其撤除。

去胶的方法分类如下：

湿法去胶：a、有机溶剂去胶：利用有机溶剂撤除光刻胶；b、无机溶剂：通过利用一些无机溶剂，将光刻胶这种有机物中的碳元素氧化为二氧化碳，进而而将其撤除

干法去胶：利用等离子体将光刻胶剥除。

除了这些紧张的工艺以外，还常常采取一些赞助过程，比如进行大面积的均匀堕落来减小衬底的厚度，或者去除边缘不屈均的过程等等。
一样平常在生产半导体芯片或者其它元件时，一个衬底须要多次重复光刻。

以上便是光刻技能一些基本的先容，小伙伴心中的光刻知识体系有木有更清晰了？